О.Е. Глухова – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского  E-mail: GlukhovaOE@info.sgu.ru

Д.А. Колосов – аспирант,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского  E-mail: demkol.93@mail.ru

М.М. Слепченков – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского  E-mail: slepchenkovm@mail.ru

Постановка проблемы. Экспериментальное доказательство существования двумерной формы бора – борофена открывает новую ветвь в исследованиях 2D-материалов наряду с графеном, нитридом бора, дисульфидом молибдена, диселенидом молибдена и другими. Несмотря на интенсивное изучение свойств борофена, в настоящее время практически ничего неизвестно об оптических и фотовольтаических свойствах борофена, в частности, о таких важных характеристиках, как оптическая проводимость, коэффициент поглощения, максимальный фототок. Это не позволяет оценить перспективность борофена для оптоэлектроники и фотовольтаики, хотя, вполне возможно, что именно борофен и является подходящим материалом для солнечных батарей и фотодетекторов, поскольку другие монослойные и 2D-материалы обнаружили экстраординарное поглощение солнечного света.

Цель. Выполнить теоретическое исследование оптической проводимости и фотовольтаических свойств трех аллотропных форм борофена – триангулированного, β12 и χ3, а также оценить перспективы применения борофена для фотовольтаических применений.

Результаты.Получены зависимости диагональных и недиагональных элементов тензора комплексной оптической проводимости исследуемых модификаций борофена от длины волны в ультрафиолетовом (УФ), инфракрасном (ИК) и видимом диапазонах электромагнитного излучения. Рассчитаны спектры поглощения борофена в УФ- и видимом диапазонах. Дана численная оценка интегральной величины фототока борофена для солнечных спектров AM0 и AM1.5G. Проведено сравнение оптических и фотоэлектрических характеристик борофена и графена.

Практическая значимость. На основании полученных результатов можно прогнозировать, что планарные модификации борофена β12 и χ3могут быть перспективны в качестве чувствительных элементов солнечных батарей, работающих как на поверхности Земли, так и за ее пределами. Повышенная чувствительность триангулированного борофена к УФ-излучению позволяет прогнозировать его применение в качестве детекторов УФ-излучения.

1. Mannix A.J., Zhou X.F., Kiraly B. et al. Synthesis of borophenes: anisotropic, two-dimensional boron polymorph // Science. 2015. V. 350. № 6267. P. 1513−1516. DOI: 10.1126/science.aad1080.
2. Feng B., Zhang J., Zhong Q., et al. Experimental realization of two-dimensional boron sheets // Nature Chemistry. 2016. V. 8. P. 563−568. DOI: 10.1038/nchem.2491.
3. Novoselov K., Geim A., Morozov S., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. 2004. V. 306. P. 666−669. DOI: 10.1126/science.1102896.
4. Kim K., Hsu A., Jia X., et al. Synthesis of monolayer hexagonal boron nitride on Cu foil using chemical vapor deposition // Nano Letters. 2012. V. 12. P. 161−166. DOI: 10.1021/nl203249a.
5. Radisavljevic B., Radenovic A., Brivio S. et al. Single-layer MoS2 transistors // Nature Nanotechnology. 2011. V. 6. P. 147−150. DOI: 10.1038/nnano.2010.279.
6. Tongay S., Zhou J., Ataca C., et al. Thermally driven crossover from indirect toward direct bandgap in 2D semiconductors: MoSe2 versus MoS2 // Nano Letters. 2012. V. 12. P. 5576−5580. DOI: 10.1021/nl302584w.
7. Sha Z.D., Pei Q.X., Zhou K. et al. Temperature and strain-rate dependent mechanical properties of single-layer borophene // Extreme Mechanics Letters. 2018. V. 19. P. 39−45. DOI: 10.1016/j.eml.2017.12.008.
8. Zhong H., Huang K., Yu G. et al. Electronic and mechanical properties of few-layer borophene // Physical Review B. 2018. V. 98. P. 31−40. DOI: 10.1103/ PhysRevB.98.054104.
9. Gao M., Li Q.Z., Yan X.W., et al. Prediction of phonon-mediated superconductivity in borophene // Physics Review B. 2017. V. 95. P. 76−86. DOI: 10.1103/ PhysRevB.95.024505.
10. Penev E.S., Kutana A., Yakobson B.I. Can two-dimensional boron superconduct // Nano Letters. 2016. V. 16. P. 2522−2526. DOI: doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00070.
11. Lian C., Hu S., Zhang J. et al. Exotic surface plasmons in monolayer metal borophene // Eprint arXiv. 2018. 1803.01604.
12. Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N. et al. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene // Science. 2008. V. 320. P. 1308. DOI: 10.1126/ science.1156965.
13. Bernardi M., Palummo M., Grossman J. Extraordinary Sunlight Absorption and One Nanometer Thick Photovoltaics Using TwoDimensional Monolayer Materials // Nano Letters. 2013. V. 13. P. 3664−3670. DOI: doi.org/10.1021/nl401544y.
14. Palik E.D. Handbook of Optical Constants of Solids. New York: Academic Press. 1998.
15. URL = https://www.dftb.org/ (18.03.2018).
16. Sorkin V., Zhang Y.W. Mechanical properties of pristine and defective carbon-phosphide monolayers: a density functional tightbinding study // Nanotechnology. 2018. V. 29. P. 300−317. DOI: 10.1088/1361-6528/aad9e8.
17. Selli D., Fazio G., Seifert G. et al. Water multilayers on TiO2 (101) anatase surface: Assessment of a DFTB-based method //J. Chem. Theory Comput. 2017. V. 7. P. 3862−387. DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00479.
18. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1976. V. 13. P. 5188−5192. DOI: doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.
19. Calderín L., Karasiev V.V., Trickey S.B. Kubo-Greenwood electrical conductivity formulation and implementation for projector augmented wave datasets // Computer Physics Communications. 2017. V. 221. P. 118−142. DOI: 10.1016/j.cpc.2017.08.008.
20. Stauber T., Peres N.M.R., Geim A.K. Optical conductivity of graphene in the visible region of the spectrum // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 62−69. DOI: 10.1103/ PhysRevB.78.085432.
21. Glukhova O.E., Nefedov I.S., Shalin A.S., Slepchenkov M.M. New 2D graphene hybrid composites as an effective base element of optical nanodevices // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. P. 1321−1327. DOI: 10.3762/bjnano.9.125.
22. Maurizia P., Bernardi M., Grossman J.C. Exciton Radiative Lifetimes in Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides // Nano Lett. 2015. V. 5. P. 2794−2800. DOI: doi.org/10.1021/nl503799t.
23. URL = http://rredc.nrel.gov (03.04.2019).